供稿|邢世勛，于廣文/ XING Shi-xun, YU Guang-wen

隨著核電、石化等能源領(lǐng)域的大型化發(fā)展，對能源裝備提出了更高要求，尤其是大型鑄鍛件行業(yè)。為此，世界各大重機(jī)企業(yè)都在積極追求鋼錠的大型化和純凈化，2011 年日本 JSW 室蘭所在完成了產(chǎn)能擴(kuò)大之后，成功生產(chǎn)了 670 t 真空鋼錠[1]。2010 年底，JCFC 也成功試制了 2 個用于生產(chǎn)核電整鍛低壓轉(zhuǎn)子的 650 t 真空鋼錠[2]。2011 年 7 月，一重成功生產(chǎn)了 619 t 真空鋼錠。大型鋼錠內(nèi)部不可避免的存在各種偏析，雖然已經(jīng)采用了很多先進(jìn)的煉鋼、精煉及澆鑄工藝，但是隨著鋼錠的大型化，偏析仍將存在并且有加劇的趨勢，這對于核電反應(yīng)容器等對內(nèi)表面質(zhì)量要求較高的鍛件來說影響很大。因此，20 世紀(jì) 70 年代后期法國克魯索鍛造廠、日本川崎制鐵等成功開發(fā)了針對筒節(jié)類產(chǎn)品的空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)。

本文主要圍繞解決筒節(jié)類產(chǎn)品的空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)，介紹空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展應(yīng)用。

空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)簡介

圖1 空心鋼錠澆注示意圖

空心鋼錠澆注過程如圖1 所示，空心鋼錠生產(chǎn)一般采用下注法。從圖中所示不難看出，空心鋼錠生產(chǎn)的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是鋼錠模芯子的制作，研究最多的是日本川崎制鐵和法國克魯索鍛造廠，日本川崎制鐵朝生一夫等人的專利[3-5]中芯子采用兩個內(nèi)外圓筒，圓筒間填充耐火材料，這樣避免了耐火材料與鋼水直接接觸，通過改變耐火材料層的厚度和內(nèi)筒的冷卻條件來控制芯子對鋼液的冷卻條件，法國克魯索公司的專利[6-7]則是以一根薄鋼管來代替上述的芯子結(jié)構(gòu)。它以空氣、CO2、水蒸氣、霧化水的混合物作為冷卻介質(zhì),通過調(diào)整冷卻劑的流量和各成分的相對含量來控制冷卻強(qiáng)度的變化。即在凝固初期先緩冷以減輕收縮應(yīng)力,待凝固殼得到一定厚度后, 開始急冷使得 A 偏析 (見圖2) 的起始生長位置遠(yuǎn)離內(nèi)表面。

圖2 采用實心鋼錠生產(chǎn)的筒類鍛件的偏析區(qū)域位置

圖3 實心鋼錠與空心鋼錠偏析情況的比較

表1 是不同質(zhì)量的實心鋼錠和空心鋼錠凝固時間比較[8]。從表1 可以看出，由于改變凝固方式，空心鋼錠的凝固時間大大低于實心鋼錠。從而使凝固質(zhì)量得到了提高，同時也提高了生產(chǎn)效率。

表1 不同質(zhì)量的實心鋼錠與空心鋼錠凝固時間比較

空心鋼錠與常規(guī)實心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)比較

消除或減少空心鋼錠內(nèi)表面偏析，改變偏析位置

采用常規(guī)實心鋼錠鍛造筒節(jié)類產(chǎn)品時，一般需要墩粗、沖孔工序，這樣會殘留部分軸向偏析在筒體的內(nèi)表面 (見圖2)，根據(jù)不同的筒體和鋼錠的重量、尺寸，殘留的軸向偏析最大密度可以計算出來[9]。這些殘留的偏析將對筒節(jié)類產(chǎn)品的后續(xù)焊接、加工和使用壽命帶來嚴(yán)重影響。

對于石化、核電壓力容器，其內(nèi)表面通常堆焊一層不銹鋼材料。但是，由于采用實心鋼錠生產(chǎn)的壓力容器鍛件，其內(nèi)表面殘留正偏析和 A 型偏析，而必須采用特殊焊接的工藝參數(shù)，來保證焊接質(zhì)量，避免由于偏析而造成的分層裂紋的產(chǎn)生，這就給壓力容器的焊接工藝提出了非?？量痰囊?。

在核電領(lǐng)域，由于反應(yīng)容器長期處于輻射狀態(tài)，引起材料無延性轉(zhuǎn)變溫度 (RTNDT) 的改變?，F(xiàn)已明確，材料無延性轉(zhuǎn)變溫度的這種改變主要受中子輻射和材料化學(xué)成分 (主要是磷、銅、鎳) 的影響。因此，消除或減少容器內(nèi)表面的偏析是提高反應(yīng)堆壓力容器安全壽命和可靠性的有效方法。

圖3 是實心鋼錠與空心鋼錠偏析情況比較[10]，從圖中可以看出，采用空心鋼錠生產(chǎn)的筒節(jié)類鍛件，其偏析情況得到了大大改善，正偏析幾乎被消除，A 偏析和負(fù)偏析的位置發(fā)生移動，離開了鍛件的內(nèi)表面，位于厚度方向的中間部位。

圖4 實心鋼錠和空心鋼錠生產(chǎn)筒類鍛件心部偏析情況比較

表2 實心鋼錠與空心鋼錠綜合比較情況

表3 世界主要大鍛件制造企業(yè)空心鋼錠生產(chǎn)能力情況

圖5 實心鋼錠與空心鋼錠鍛造工序的比較

圖4 是實心鋼錠和空心鋼錠生產(chǎn)筒節(jié)類鍛件心部偏析情況比較[11]，從圖中也不難看出，相比實心鋼錠，空心鋼錠的 △C/C 很低，這一點(diǎn)已經(jīng)由不同重量的鋼錠和不同鋼種得到了驗證。

減少鍛造工序，提高材料利用率

圖5 為實心鋼錠與空心鋼錠鍛造工序比較。通常實心鋼錠的鍛造加工工序為開坯–切頭切尾–墩粗–沖孔–碾環(huán)–后續(xù)加工，而采用空心鋼錠可直接進(jìn)行碾環(huán)，不再需要墩粗、沖孔等工序[12]。這樣既降低了鍛造工藝的復(fù)雜性，又縮短了鍛造加工時間，降低了能耗，提高了材料利用率 (最大可提高 35%)。

實心鋼錠與空心鋼錠的綜合比較情況如表2 所示。

空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用

空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于大型核電、石化行業(yè)筒節(jié)類鍛件的生產(chǎn)。目前世界上擁有成熟空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)的鍛件制造企業(yè)有法國克魯索公司、日本川崎制鐵、英國謝菲爾德公司、中國一重，其空心鋼錠生產(chǎn)能力見表3。

克魯索公司是最早研究空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè) (有空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)專利)，目前已經(jīng)成功地生產(chǎn)出核電反應(yīng)容器、石化加氫反應(yīng)器等筒節(jié)類產(chǎn)品，其所生產(chǎn)的核電筒節(jié)類鍛件情況見表4。從表4 中可以看出，克魯索公司使用空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成功地生產(chǎn)出核電筒節(jié)類鍛件系列產(chǎn)品，目前最大空心鋼錠生產(chǎn)的厚壁筒節(jié)類產(chǎn)品高度為 5600 mm。

日本川崎于 20 世紀(jì) 80 年代完成了用于核反應(yīng)堆壓力容器的 315 t 以下空心鋼錠的生產(chǎn)，并模擬了 320 t 空心鋼錠的生產(chǎn)情況[13]，其主要工藝路線如表5 所示。

表4 克魯索采用空心鋼錠技術(shù)生產(chǎn)核電筒節(jié)類產(chǎn)品情況[10]

結(jié) 論

(1) 與實心鋼錠相比，在生產(chǎn)筒節(jié)類產(chǎn)品方面，采用空心鋼錠能夠消除或減少產(chǎn)品內(nèi)表面的各種偏析，改變偏析的形成位置，從而提高核電、石化等行業(yè)筒節(jié)類產(chǎn)品的安全系數(shù)和可靠性。

(2) 采用空心鋼錠鍛造加工筒節(jié)類產(chǎn)品，可減少墩粗、穿孔等鍛造工序，簡化鍛造工藝，縮短鍛造時間，降低能耗，提高材料利用率 (最高可提高 35%)。

(3) 目前擁有大型空心鋼錠生產(chǎn)技術(shù)的鍛件供應(yīng)商主要有法國克魯索、日本川崎、英國謝菲爾德、中國一重，法國克魯索最大可生產(chǎn)空心鋼錠 250 t 以上，日本川崎最大可生產(chǎn)空心鋼錠 320 t，謝菲爾德和一重最大可生產(chǎn)空心鋼錠為 160 t。

表5 日本川崎空心鋼錠生產(chǎn)工藝路線及控制要點(diǎn)[14]

[1]Takashi Ubukata, Tadashi Suzuki, Akihiro Murayama, et al. Rise in productive capacity by increase the facilities in melting shop// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September, 2011

[2]Yasuto Ikeda, Korinaka, Tomohiro Muraoka. Recent technology progress on large ingots for rotor forgings// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September, 2011

[3]朝生一夫. 日本專利. 公開特許公報. 昭53- 042410

[4]朝生一夫. 日本專利. 公開特許公報. 昭53- 118376

[5]Kazuo Aso. Method of producing hollow steel ingot and apparatus therefore. U K Patent. GB2022479A. registered on 1979-4-10

[6]Dor Ph, Martin D, Siantignan J C. French Patent, 8206475, registered on 1982-4-15

[7]Dor Ph, Martin D, Siantignan J C. 日本專利. 公開特許公報. 昭 58-202952, 1983

[8]Masaki Takada, Hiroshige Wananka，Kazuo Aso, et al. Outline of 4400 t press and manufacture of large forged steel shell rings.Kawasaki Steel Technical Report, 1983(7):44-54

[9]Badeau J P. Segregation phenomena in hollow ingots for heavy forgings// 10th Int. Foring Conf. Shef fi eld, 1985

[10]Giradin G, Jobard D, Pedrdriset F, et al. Hollow ingots: thirty years of use to control segregation and quality for nuclear and petrochemical large shells// 18th Int. Forgemasters Meeting. Pittsburgh, September,2011

[11]Tomlinson M, Talamantes-Silva J, Davies P. The development of hollow ingot technology at shef fi eld forgemasters international Ltd.

[12]Bocquet P， Blondeau R， Poitrault I，et al. Improvement in the reliability of shells for light water reactors by manufacture from hollow ingots. Nuclear Engineering and Design, 1991, 130: 467-475

[13]Saito K, Namba A, Aso K, et al. New manufacturing techniques of large forged shell rings for pressure vessels. J Materials Shaping Technology, 1987, 5(1): 1

[14]Nobuo Ohashi, Teiichi Enami, Hiroshige Wanaka, et al. Manufacturing process and properties of nuclear RPV shell ring forged from hollow ingot. Nuclear Engineering and Design, 1984, 81: 193-205